Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 1988/11. 404. o.

A SPONTÁN NÖVEKVŐ HŐMÉRSÉKLET

Radnai Gyula
ELTE Általános Fizika Tanszék

Kürti Miklós szereti meglepni az embereket. Már azzal is, hogy nevét "Nicolaus Kurti"-re változtatta nem kis gondot okozott a magyar könyvtárosoknak. Legjobb, ha az ember mind a két címszót kikeresi a katalógusban: lehet, hogy itt is, ott is talál tőle ­vagy róla - olvasnivalót.

A hatvanas években, amikor kedvenc tanköny­vemre: Mark W. Zemansky: Heat and Thermodyna­mics c. könyvére rátaláltam, még magam se tudtam, hogy az ott többször idézett Simon és Kurti oxfordi professzorok egyike magyar származású. (Ha tudtam volna, akkor is inkább Simonra gyanakodtam volna.) A Kurti név 1960-ban lett egycsapásra világhírű, amikor először sikerült elérni 10-6 K hőmérsékletet, és "N. Kurti" teljesítménye bekerült a rekordok könyvébe. (Oda "ahol a futási rekord is benne van, aztán, hogy ki tud egy hétig táncolni, és ki tud a leg­több szilvásgombócot enni" - mondta fanyar hu­morral később Kürti.)

Az a módszer, amivel ezt a rendkívül alacsony hő­mérsékletet elérték, a hatvanas években egyszerre lett egyetemi tananyag és az ismeretterjesztő iroda­lom felkapott témája. Mark W. Zemansky "Tempera­tures Very Low and Very High" c. könyvecskéje 1964-ben jelent meg, s a legérdekesebb fejezetek innen szóról-szóra bekerültek a Heat and Thermody­namics 1968-as, átdolgozott kiadásába. Bekerült a híres, nevezetes fénykép is arról az óriási mágnesről, mellyel a második világháborút megelőző években végezték Kürtiék az adiabatikus lemágnesezési kísérleteket.

Pedig nem is nekik voltak a legerősebb mágneseik! Kamerlingh Onnes (1853 -1926) fellépése óta Hollandia, mégpedig Leiden volt a kísérleti termodi­namika központja Európában. Századunk első évtize­dében itt cseppfolyósították a héliumot, felfedezték a higany, majd az ólom s még több fém szupravezeté­sét, és óriásmágneseket építettek a mágneses tulaj­donságok alacsony hőmérsékleten történő vizsgála­tára. Itt dolgozott W. J. de Haas (1878-1960), Eins­teinnel csaknem egyidős holland fizikus. A leideni óriásmágnesekkel végezték azokat a méréseket, melyek az atomi köráramok impulzusmomentumá­nak és mágneses momentumának arányosságát mu­tatták ki, s melyek 1915-ben Einstein-de Haas effek­tusként kerültek be a fizikus köztudatba.

Csaknem húsz évvel ezután, 1934-ben de Haas és kutatócsoportja H ≈ 25 K0e  (≈ 2 · 106 A/m), illetve B = 2,5 tesla erősségű térrel mágnesezték fel a para­mágneses króm-kálium timsót, miközben az anyag hőmérsékletét sikerült kb. 1 K-en stabilizálni. Ezt úgy érték el, hogy a timsót folyékony héliummal vették körül, mely felett a héliumgáz nyomását kellő­en alacsony értéken tartották. Ezután a héliumot eltá­volították, és a mágneses tér hirtelen kikapcsolásával a króm-kálium timsó hőmérséklete lecsökkent 0,03 K-re. Az új véghőmérsékletet interpolációval hatá­rozták meg, feltételezve, hogy a paramágneses timsó szuszceptibilitása több nagyságrenden át követi a Curie-törvényt, vagyis fordítva arányos az anyag ab­szolút hőmérsékletével.

1. ábra

A mágneses hűtés ötlete régebben vetődött fel. Féletlenül éppen abban az évben, amikor Kamer­lingh Onnes meghalt. Egy másik holland tudós, Debye (1884-1966) vetette fel az ötletet Európában, s még ugyanebben az évben, 1926-ban javasolta ugyanezt a módszert W. F. Giauque az Egyesült Államokban.

1926 Kürti Miklós számára is nevezetes év volt. Ebben az évben érettségizett Budapesten, a Trefort utcai "mintagimnáziumban".

Az első meglepetést azzal szerezte, hogy érettségi után nem Budapesten, nem Bécsben, még csak nem is Berlinben kezdett egyetemre járni, mint annyian saját tehetséges generációjából, hanem Párizsba ment, s a Sorbonne hallgatója lett. A következő meg­lepetés az volt, hogy két év múlva otthagyta Párizst, a Sorbonne-t, s mégiscsak elment Berlinbe, ott fejezte be egyetemi tanulmányait. Legkedvesebb tanára, aki bevonta őt az alacsonyhőmérsékleti kutatásokba, a nála tizenöt évvel idősebb Franz Simon (1893-1956) volt. Az már szinte nem is volt megle­petés, hogy berlini diplomával a zsebében Kürti Miklós - akkor már Nicolaus Kurti - otthagyta Ber­lint, de nem Amerika vagy más elegáns kutatócent­rum kedvéért, hanem hogy elkísérje professzorát az akkor Németországhoz tartozó Breslau (ma Wroclaw, Lengyelország) egyetemére. Két év után, 1933-ban együtt hagyták el Breslaut s vele a fasizálódó Német­országot, s 1935-ben már Oxfordban dolgoztak, a Cla­rendon laboratóriumban.

"Kurti and Simon" mérési eredményeit csakha­mar a legjobbak között emlegették annak ellenére, hogy fele olyan erős mágneses teret se alkalmaztak kí­sérleteikhez Oxfordban, mint de Haas és kutató cso­portja Leidenben. Sir Francis Simon Németországban valaha W. Nernst (1864-1941) tanítványa volt, tőle tanulta a jelenségek körültekintő, alapos vizsgálatát, a szívós, kitartó türelmet, amelyre most nagy szükség volt a legmegfelelőbb paramágneses só megtalálásá­hoz. (Kissé hasonló volt a helyzet ahhoz, ahogy ma­napság a legjobb szupravezető kerámiát keresik szorgos kutatók szerte a világon.) Kürti jó gyakorlati érzéke, meghökkentő ötletei, (megvizsgálták a kö­zönséges vérzéscsillapító vas+ammónium timsót is) széles körű tájékozottsága mind a fizika tudományá­ban, mind a fizikusok társadalmában. hamar a világ élvonalába emelte kettőjük közös eredményeit.

F. E. Simon 1956-ban meghalt, de megérte még, hogy Kürtivel közös legnagyobb ötletük, a mágneses hűtés megvalósult. Több ezer amperes árammal működő elektromágneseikkel az ötvenes években már több mint H = 50 k0e. illetve B = 5 tesla erős­ségű mágneses teret tudtak előállítani vákuumban, a szükséges térfogatban. Az örvényáramok fellépésé­nek elkerülésére századmilliméternél is vékonyabb vörösréz huzalokból álló köteg volt a hűtendő közeg, amelyben az atommagspinek rendszerének hőmér­sékletét 10-5 K-re sikerült csökkenteniük. Előbb azonban elő kellett hűteni a vörösrezet 10-2 K-re, s ezt olyan paramágneses króm-kálium timsóval valósí­tották meg, amilyet húsz évvel korábban de Haas és kutatócsoportja is használt Leidenben. A kétfokozatú adiabatikus lemágnesezés Kürtiék ötlete volt. Érde­kessége, hogy a vörösréznek egyszerre kétféle hő­mérséklete lesz: a magspinek rendszere hűl le mikro­kelvin nagyságrendű hőmérsékletre, míg az elektro­nokhoz és a fononokhoz (rácsrezgésekhez) rendel­hető hőmérséklet a paramágneses só hőmérsékletén marad. Olyan rossz a csatolás a két rendszer között, hogy csak nagyon lassan egyenlítődik ki a hőmérsék­let, s így a magspinrendszer kiindulási hőmérséklete interpolációval meghatározható.

1956 után Nicolaus Kurti egyedül fejlesztette tovább munkatársaival a maghűtéses mérést. Az eredményeket nemcsak tudományos, hanem népsze­rű tudományos folyóiratokban is ismertette, s 1960-ban még egy nagyságrenddel sikerült közelebb kerülnie az abszolút zérus fokhoz: a magspinek rendszerének hőmérsékletét, 1,2 · 10-6 K-re tudta csökkenteni. A bonyolult és impozáns méretű kísér­leti összeállításról készült fénykép bejárta a világot.

Mark W. Zemansky is közölte kis könyvében ezt a fényképet, majd bekerült többek között Kurt Men­delssohn: The Quest for Absolute Zero c. könyvének átdolgozott, 1977-es kiadásába, melyet azután "Az abszolút zérus fok" címmel 1983-ban magyarul is megjelentetett a Gondolat Kiadó.

A fényképeknek is megvan a maguk sorsa: ez a kép például Mendelssohn könyvében már annak il­lusztrálására szolgál, hogy milyen méretcsökkenést lehet elérni, ha a hagyományos szolenoidokat szupra­vezető tekercsekkel helyettesítjük. A kép sarkában ott büszkélkedik egy kis szupravezető mágnes, mel­lyel 10 teslát lehet előállítani. Mellesleg Mendelssohn is a Clarendon laboratóriumban dolgozott, ugyanott ahol Kürtiék, de ő főleg szupravezetéssel foglalko­zott ....

Mendelssohn könyve előszöt 1966-ban jelent meg, Zemansky kis könyve 1964-ben, Kürti nevét mindketten ékezet nélkül "Kurti"-ként írták le. Mindkét könyvénél korábban, 1961-ben jelent meg azonban Kanadában D. K. C. MacDonald "Near Zero" című, hasonló tárgyú könyvecskéje, ebben Kürti neve magyarosan, ékezettel van írva.

Így, vagy úgy, Kürtiként vagy Kurtiként, de min­denképpen bekerült neve a hatvanas évek végére az alacsony hőmérsékletet kutató fizikusok legjobbjai közé. Így került el híre újra szülőföldjére, Magyaror­szágra is. Amikor az akkori politikai nyitás, az "új me­chanizmus" szellemében kezdtek felélénkülni - leg­alábbis professzori szinten - a tudományos, kultu­rális kapcsolatok Magyarország és a Nyugat között, Kürti Miklós is hazalátogatott. Az Eötvös Loránd Fi­zikai Társulat 1972-ben alakult Oktatási Szakcsoportja hívta meg, hogy tartson előadást az 1973-as veszp­rémi középiskolai fizikatanári ankéton. Azt azonban itthon még nem tudták, hogy akkor ő már évek óta egy különleges témával foglalkozott: a sütés-főzés fizikájával.

Ezzel először 1969-ben lepte meg Angliában a Pro­ceedings of the Royal Institution olvasóit, majd a témát továbbfejlesztve, újabb ötletekkel gyarapítva, sikeresnél sikeresebb, demonstrációval kísért előadá­sokat tartott róla mindenütt, ahová csak meghívták. Így hát felajánlotta, hogy "Fizikus a konyhában" címmel szívesen tart előadást Veszprémben is.

Elképzelhetjük az illetékesek meglepődését itthon. (Hová lesz a fizika tantárgy komolysága, te­kintélye, ha megengedünk ilyesmit? Nem főzési ta­nácsadást kérünk, hanem tudományos előadást!) Ud­varias hangú válaszban kérték fel Kürtit, hogy inkább az abszolút nulla fok körüli kutatásairól tartson előa­dást a magyar fizikatanárok számára. Kürtinek több, mint tíz évet kellett várnia, míg a "Fizikus a konyhá­ban" c. előadását - kirobbanó sikerrel - végre Ma­gyarországon is megtarthatta. 1984 októberében került sor erre az előadásra Budapesten, az Eötvös egyetemen, abban az előadóteremben, ahol egykor Eötvös Loránd, Selényi Pál, Novobátzky Károly tanított. Fényképekkel, videofelvétellel dokumentálható, hogy Kürti előadásán a hallgatóság első soraiban ült a Magyar Tudományos Akadémia volt elnöke is.

2. ábra

Akkor, 1973-ban Veszprémben nem volt de­monstráció Kürti előadásához. A 450 tanárnak mégis máig maradandó intellektuális élményt jelentett az akkor hatvanöt éves professzor előadása. Nagysze­rűen megtalálta a hangot a hallgatósággal, csillogóan szellemes volt. Példát mutatott, ötleteket adott a taní­táshoz.. A vörösrézben kialakuló kétféle hőmérsék­letű rendszert például egy nemzetek közötti váloga­tott labdarúgó mérkőzés utáni fogadás hangulatának érzékletes leírásával illusztrálta. Ahogyan a vesztes csapat játékosai (alacsony hőmérsékletű rendszer) egymás között beszélik meg a mérkőzés tanulságait, ugyanúgy a győztes csapat vidám játékosai (magas hő­mérsékletű rendszer) is egymás között elevenítik fel, csak jóval élénkebben, a legszebb pillanatokat. A két különböző nemzetiségű csapat játékosai egymással eleinte nem beszélnek. Később, az egyre nagyobb mértékben adagolt szennyezés (italok) hatására foko­zottan csökken a hangulatkülönbség (hőmérséklet­különbség), s lassanként beáll a hangulati­-hőmérsékleti egyensúly. Ekkor már bárki bárkivel hajlandó megvitatni a mérkőzés minden mozzanatát ....

Kürti beszélt a közvéleményt mindig foglalkoztató hibernálás fizikai hátteréről, valamint a villamos energia szupravezető kábeleken történő továbbításá­nak gazdasági vonatkozásairól. Jó volt hallani, amikor Bródy-Polányi-féle kriptonelőállítási mód­szert emlegette annak a ténynek az illusztrálására, hogy egy-egy jó ötlet ügyes kiaknázásával Magyaror­szág is elő tudott már állítani olyan termékeket, melyek árát ő határozhatta meg a világpiacon. Kürti­nek ez a példája az eltelt évek alatt semmit sem vesz­tett aktualitásából.

Az előadás számomra legemlékezetesebb része azonban az volt, ahogyan Kürti egyéni látásmódjának megfelelően átfogalmazta a termodinamika második főtételét. Ezt mondta: "Egy rendszerben a környeze­ténél magasabb hőmérséklet spontán ki tud alakulni, a környezetnél alacsonyabb hőmérsékletet azonban mesterségesen kell előállítani." Ez a meghökkentő ál­lítás első állításra úgy tűnt, mintha még ellentétes is lenne a második főtételnek kiegyenlítődésre vonat­kozó szokásos megfogalmazásával. A spontán nö­vekvő hőmérséklet gondolata meglehetősen új és szokatlan volt.

Ma is emlékszem, ahogy spontán elöntött a maga­sabb hőmérséklet: szinte belázasodtam, amint meg­próbáltam beilleszteni Kürti állítását a második főté­tel általam ismert megfogalmazásai közé. Segítségül, magyarázatképpen, Kürti a télen is spontán keletkező tüzeket említette, s még hozzátette: könnyű az ener­giából meleget csinálni, de nagyon nehéz hideget csi­nálni belőle.

Axiomatikus termodinamikán iskolázott agyam­nak ez már sok volt. Annyira elkedvetlenített a pon­gyola megfogalmazás, hogy le is mondtam arról, hogy megpróbáljam megérteni. Mégsem hagyott nyugodni.

Sok-sok tépelődés után jöttem csak rá, hogy "miről is van szó". Az összes disszipatív folyamat ir­reverzibilitása megfogalmazható Kürti módján úgy, mint a spontán hőmérsékletváltozás egyirányúsága. Másrészt az összes exoterm kémiai reakció belefoglal­ható egy megfelelően általánosan definiált entrópia­növekedési tételbe.

Így világosodott meg bennem Kürti előadása nyomán nemcsak a termodinamika egy új, egyéni né­zőpontja, hanem az is, hogy milyen bonyolult folya­mat maga a megértés.